濾波器對PWM變頻調(diào)速電動機(jī)端子上電壓波形的影響分析

1引言

隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻器(或逆變器)的性能也得到飛躍性的提高，并越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常工作的許多領(lǐng)域之中。但是，變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動機(jī)接線端子及繞組上產(chǎn)生了過電壓，造成電動機(jī)繞組絕緣的過早破壞。試驗(yàn)研究表明，很高的電壓上升率(dv/dt)在電動機(jī)繞組上產(chǎn)生極不均勻的電壓分布，且隨著變頻器與電動機(jī)之間電纜(線)長度的增加，在電動機(jī)接線端子上產(chǎn)生高頻振蕩的過電壓，當(dāng)電纜長度超過某一臨界值后，電動機(jī)端子上過電壓的幅值達(dá)到變頻器輸出電壓的2倍，長時間重復(fù)性的電壓應(yīng)力的作用將導(dǎo)致電動機(jī)繞組匝間絕緣的過早破壞。

為了降低電動機(jī)端子上高頻振蕩的過電壓，最適宜的方法之一是在電動機(jī)端子上安裝特殊設(shè)計的濾波器。濾波器的參數(shù)與變頻器特性及電纜參數(shù)有關(guān)，然而變頻器、電纜及電機(jī)一般都不是同一制造商或銷售商提供，變頻器的開關(guān)特性、電纜參數(shù)及長度的不確定性，使得濾波器的參數(shù)選擇具有不固定性。關(guān)于濾波器的參數(shù)與電機(jī)端電壓或電流特性的關(guān)系，目前還未有系統(tǒng)研究的報道。本文主要研究在不同電纜長度下，濾波器的參數(shù)對電機(jī)端電壓特性的影響，確定電纜長度、濾波器的電阻和電容與電機(jī)端子過電壓幅值及脈沖上升沿時間的關(guān)系，找出濾波器參數(shù)的選擇范圍，為變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的制造和使用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2試驗(yàn)研究及分析

PWM變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)中，造成電機(jī)端子產(chǎn)生高頻振蕩過電壓的原因，用傳輸線理論可以很好地解釋，并且通過試驗(yàn)研究也進(jìn)一步得到證實(shí)，它是造成電機(jī)絕緣過早破壞的原因之一，因此為了延長電機(jī)壽命，除了提高電機(jī)自身的絕緣水平外，還必須盡最大可能抑制過電壓的浪涌沖擊。

21濾波器與驅(qū)動系統(tǒng)的等值電路

在電動機(jī)端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消弱過電壓，最簡單的是并聯(lián)一個與電纜的波阻抗接近的電阻，但由于電纜(線)的波阻抗很小，一般為10Ω～500Ω，故并聯(lián)電阻上的功耗很大，達(dá)到數(shù)百至數(shù)千瓦，因此一般不采用純電阻匹配器，通常都采用一階RC低通濾波器。

無源低通一階阻尼濾波器是電阻和電容串聯(lián)后并接在電機(jī)接線端子相—相上，根據(jù)傳輸線一次波過程的彼得遜(Petersen)規(guī)則，濾波器與變頻器、電纜和電機(jī)組成了如圖1所示的等值電路，其中2US為等值電源電壓，US即為變頻器輸出電壓，Z0為等值電纜波阻抗，Zm為電機(jī)繞組波阻抗，Rf為濾波器電阻，Cf為濾波器電容。

圖1一次波過程的等值電路

圖2電動機(jī)端子上電壓上升沿波形與濾波器電容Cf和電阻Rf的關(guān)系

(a)Cf=0.08μF(b)Cf=0.02μF

(c）Cf=0.005μF(d)Cf=0.001μF

以前研究中已經(jīng)證實(shí)，在通用PWM驅(qū)動變頻器的載波頻率(600Hz～15kHz)下，平均脈沖寬度在數(shù)十微秒以上，而由波過程產(chǎn)生的高頻振蕩過程一般約需十幾微秒，因此在分析PWM變頻器輸出的連續(xù)脈沖波的波過程時，可用一個階躍波的波過程來表示。

電纜的波阻抗Zc可通過測量單位長度的電容C0和電感L0來求得。本文采用低壓三相PVC絕緣護(hù)套電纜線，測得相—相間C0約為76×10－11F/m，L0約為65×10－7H／m，從而根據(jù)Zc=(L0/C0)1／2求得Zc約為92Ω。這里考慮電源有很小的內(nèi)阻抗，因此對圖1中的等值電纜波阻抗Z0可近似取為100Ω。電動機(jī)由于是電感性負(fù)載，其波阻抗Zm遠(yuǎn)大于電纜的波阻抗。